引言
任何路，任何足迹，都不曾越过这片森林。只有纤长而柔美的枝条，生生不息地，以令人窒息的样子，占领着这片森林的一切空间。它们彼此纠缠，其间的缝隙之狭窄，让阳光也望而却步。曾有约1000亿颗种子同时被播下，长出这片黑暗森林，而所有的树木，又注定将在一朝赴死。
这是一片宏伟的森林，是喜剧的森林，也是悲剧的森林。这片森林包含很多，有时我想，这片森林是一切。所有的小说和所有的交响乐，所有残忍的谋杀和所有仁慈的善举，所有的爱情和所有的争执，所有的幽默和所有的忧伤，都来自这片森林。
你可能会讶异，这片森林存在于直径不及1英尺1的空间里。地球上有70多亿片这样的森林，你正是其中之一的主人，它就生长在你的颅骨里。我所说的树木，是一种特殊的细胞，叫作神经元。神经科学的目标，就是去探索它们那些奇异的枝条，征服这片心灵丛林（见图0-1）。
1英制长度单位，1英尺约为30.48厘米。—编者注（后文若无特殊说明，均为编者注）
图0-1 心灵丛林—大脑皮层上的神经元。通过卡米洛•高尔基（Camillo Golgi，1843—1926）的方法染色，由圣地亚哥•拉蒙•卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852—1934）绘图
神经科学家们听到了它们的话语，即大脑中的电信号。他们用精准的图画和照片，揭示了神经元的形态。可是，仅凭一些零散的树，如何理解这整片森林？
17世纪，法国哲学家和数学家布莱士•帕斯卡（Blaise Pascal）这样形容宇宙的广袤：
让一个人抛开眼前卑微的事物，望望整个自然界的伟大和庄严。让他看那炽燃的大光，像一盏永恒的明灯照耀着世界。让他看到地球，再让他知道，相比于太阳的大圆，地球只是一个点。让他惊讶，太阳的大圆，在天穹上那些星宿看来，也是一个微小的点。2
2Pensées 72.
这些想法使帕斯卡感到震撼，感到自己的渺小，他承认“永恒的沉寂和无限的空间”3使他恐惧。他思考的是外面的空间，然而我们只需要想想“思考”本身，便能感受到和他一样的恐惧。每个人的颅骨当中，都坐落着一个宏伟的器官，这个器官，恐怕亦是无限复杂。
3Pensées 206.
作为一名神经科学家，我切身地理解帕斯卡的恐惧。与此同时，我还体会到某种尴尬。有时我面向公众，讲述我们领域的进展，每次这样的演讲之后，我都会被大量的问题轰炸：是什么导致了抑郁症和精神分裂症？爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊之处？怎么才能让我的孩子学习更好？对于这样的问题，我无法给出令人满意的答案，于是听众的脸色就变了。我很不好意思，最后只能向听众道歉：“对不起，你们以为我当教授是因为我知道所有的答案；但实际上，我当教授恰恰是因为我知道我有多么无知。”
研究一个像大脑这么复杂的东西，看起来几乎是徒劳。大脑里面有上千亿个神经元，它们就像很多不同种类、形态各异的树。只有最富决心的探险家，才敢走进这样的森林去看一看，但他们走进去之后，却只能看到一点，而且看不清。毫无疑问，大脑仍是一个谜。且不说我的听众所好奇的大脑的疾病和特殊优势，哪怕是最平凡的问题，我们现在也很难解释。我们每天都要回忆过去，感知当下，想象未来，大脑是怎么做到这些的？我敢明确地说，没有人真正知道。
鉴于人类大脑的复杂性，有些神经科学家转而去研究一些神经元特别少的动物。比如图0-2中的虫子，它并不具有我们称为脑的器官，它的神经元分散在全身各处，而不是集中于一个器官中。4它总共只有302个神经元，这些神经元组成了它的神经系统。这听起来很容易研究，我相信即使悲观如帕斯卡，也不会对秀丽隐杆线虫（C. elegans，这是这种约1毫米长的虫子的学名）的“森林”感到恐惧。
4线虫的大多数神经元和突触，位于一个叫作神经环的结构。（事实上，对于雌雄同体的线虫确实如此，但是对于稀少的雄性线虫，神经环的主导地位并不这么明显。）神经环环绕着线虫的“喉部”，是它身上最接近“大脑”的东西。而人类神经系统中的绝大多数神经元位于大脑，其余的位于脊髓，以及零星地散布于身体各处。
图0-2 秀丽隐杆线虫5
5这幅图片是用微分干涉差（Differential Interference Contrast，DIC）显微镜拍摄的，来自WORMATLAS，它是一个非常棒的关于线虫的信息数据库。图片的比例尺是0.1毫米。中间两个椭圆状物体是线虫胚胎。
这种虫子的每一个神经元都有特定的位置和形态，并且被赋予了唯一的名称。这种虫子就像工厂流水线上大规模生产出来的一种精密机器：每只虫子的神经系统，都由一套相同的零件组成，其中的每个零件，总是按照同样的方式组装。
此外，这个标准化的神经系统的结构，已经被我们完全测绘出来了。其结果就是图0-3，看起来很像航空杂志封底的航线图。每个神经元都有一个由四个字母组成的名称，就像每个机场都有一个三个字母的代码。那些线段表示神经元之间的连接，就像航线图中的线段表示城市之间的航路。如果两个神经元之间有一个叫作突触的交会点，我们就说这两个神经元是“有连接的”。通过突触，一个神经元可以把信息传递给另一个神经元。
图0-3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图，或称为连接组6
6这是秀丽隐杆线虫整个神经系统的映射图，最早是由White et al. 1986公布的。虽然人们普遍认为他们的映射图是权威版本，但实际上它并不完整。Varshney et al. 2011利用其他来源的数据更新了此图，并预计仍然有10%的连接是缺失的。图0-3总体展示了他们的工作，同样来自WORMATLAS。
工程师们都知道，要制造一台收音机，就要把电阻、电容、晶体管这些电子元件连接起来。类似地，要组建一个神经系统，就要通过神经元的那些纤细的枝条，把它们连接起来。因此，像图0-3这样的图，最初被称为线路图。而最近，我们提出了一个新的术语：连接组（connectome）。这个词不再是受电子工程师的启发，而是受基因组学的启发。你可能听说过，DNA（脱氧核糖核酸）是一个由分子组成的长链条，这个链条上的每个点叫作核苷酸。核苷酸有四种，分别用字母A、C、G和T来表示。而你的基因组（genome），就是你的DNA上这些核苷酸组成的全体序列，或者你可以把它看成由四种字母组成的一个很长的字符串。这个字符串总共有大约30亿个字符，如果写成一本书，将有100万页的厚度，图0-4展示了其中一个小片段。7
7可以用NCBI（National Center for Biotechnology Information，美国国家生物技术信息中心）的图片查看器浏览人类基因组。从NCBI的官方网站主页的下方找到Genome Data Viewer，点击进入一个页面，选择human，即可显示人类基因组的所有染色体。点击任意染色体，就会看到一幅更详细的图，显示每个基因的位置，而再点一步，就会看到实际的DNA序列。图0-4展示了第11条染色体的开头部分。你还可以输入由某个基因编码的蛋白质名称，来搜索特定的基因序列。
图0-4 人类基因组的一个小片段
同样，一个连接组，就是一个神经系统中，各个神经之间的连接的全体。这个术语与基因组一样，意味着全体。一个连接组不是一条连接，也不是很多连接，而是所有的连接。从理论上来说，你的大脑也可以用一个线路图表示出来，就像那条虫子一样，但是你的大脑要复杂得多。那么，你的连接组，能够说出什么有趣的事情呢？
首先，它能够说明一个道理—你是独一无二的。你可能会说，你早就知道这一点（那是当然），不过在以前，要想搞清楚你的独特性是由什么带来的，存在惊人的困难。你的连接组与我的连接组之间存在巨大的差异，这与那些虫子的标准化连接组不同。从这个角度来说，每个人都是独特的，但那些虫子并不是。8（我无意冒犯虫子们！）
8虽然与人类连接组相比，线虫的连接组彼此更加接近，但却并不是完全相同的。第12章将更加详尽地讨论这个问题。
参差多态，乃是幸福本源。研究大脑的工作原理时，最让我们感到有趣的就是，每个人的大脑运转得竟然如此不同。为什么我不能像那个外向的朋友一样开朗？为什么我的儿子读书就是赶不上他的同学？为什么我的小表弟产生了幻听？为什么我妈妈失忆了？为什么我的爱人（或者我自己）不那么善解人意？
这本书会提出一个简单的理论：心灵与思维之不同，正是因为连接组之不同。有些报纸的标题常常暗含着这个理论，例如《孤独症患者的大脑与常人不同》。连接组也许还能解释个性和智商，可能还有你的记忆。你的记忆是你身上最为独特的部分，而它们也许就编码在你的连接组里。
虽然这个理论已流传了很长时间，但是神经科学家们仍然不知道它是否正确，不过很显然，这个理论的意义非常重大。如果它是对的，那么治疗精神障碍的根本方法就是修复连接组。事实上，一个人的任何改变，比如提高素质、减少喝酒，或者挽救一段婚姻，其实都是对连接组的改变。
再来看一个不同的理论：心灵与思维之不同，是因为基因组之不同。简而言之，你的基因组使你成为你。现在这个时代，个人基因组测序已经不是什么难事，再过不久，就可以便宜又快速地测出我们自己的DNA序列。而且我们还知道，在精神障碍或者一些常见特质，比如个性和智商中，基因确实有其作用。那么，既然对基因组的研究已经如此深入，为什么还要研究连接组呢？
原因很简单：单凭基因无法解释大脑为什么这样工作。早在蜷缩在母亲子宫里的那一刻，你就已经拥有了你的整个基因组，可是在那时，你并没有对于初吻的回忆。你的记忆是在一生中不断形成的，而不是先天就有的。有些人会弹奏钢琴，有些人会骑自行车，这些都是后天学会的技能，而不是随着基因而来的本能。
从你的母亲受孕的那一刻起，你的基因组就已经固定了9，但与此不同，你的连接组在你的一生当中始终在改变。神经科学家们指出了这些基本的改变是如何发生的。首先，神经元会调整彼此之间的连接，使它们变得更强或更弱，从而给这些连接重新赋予权重。其次，神经元还能创建新的突触，或者去掉一个突触，这样它们就能重新连接，它们还能通过生长新的枝条或收回原有的枝条来改变连线的结构。最后，新的神经元会不断地产生，旧的神经元会不断地死去，这些会使连接发生重建。
9要说你的基因组是固定的，这有些过度简化了。你的每个细胞，都包含你的基因组的一份拷贝。（也有些例外，比如血红细胞在成熟后没有DNA。）这些拷贝几乎是相同的，但也会有轻微的差别。有些差别是由于细胞分裂过程中的拷贝错误造成的，而且可能会导致癌症。有些差别有很重要的作用，比如免疫系统的某些细胞。DNA还能以一些不改变序列的方式发生改变，这种改变属于一种更广泛的现象，叫作表观遗传。
我们还不知道你的生活经历—比如你父母的离异，或者你传奇的海外经历—具体是如何改变你的连接组的。但是，有很多证据能够表明，这四个“重新”—重新赋权、重新连接、重新连线、重新生成—会受到你经历的影响。与此同时，四个“重新”也受基因的指挥。基因确实会影响心智，尤其是在幼年和童年，大脑开始建立连接的时候。
连接组是由先天的基因和后天的经历共同塑造的，要解释大脑如何运转，就必须考虑到这两种影响和作用。“连接组不同论”是兼容于“基因组不同论”的，只是比后者更加丰富、更加复杂，因为它考虑到了你活在这个世界上的后天作用。相比来说，连接组理论不那么具有命运色彩，因为它相信，我们的连接组可以由我们的行为和思维来塑造。大脑的连接结构，使我们成为我们，但反过来，我们也在影响大脑的连接结构。
这个理论总结起来就是：
你不只是你的基因组，你是你的连接组。
如果这个理论是正确的，那么神经科学最重要的目标就是去驾驭四个“重新”。需要知道，连接组发生什么样的改变，才能使我们表现出我们所希望的行为，然后需要开发出相应的方法，来制造这种改变。如果我们成功了，神经科学就能够有效地治疗精神障碍，治疗大脑的损伤，并且使生活更美好。
然而，鉴于连接组的复杂性，这是一个艰巨的挑战。秀丽隐杆线虫只有7000条连接，但是测绘它的连接组却花了我们10多年时间。而你的连接组的规模，是它们的1000亿倍，其中的连接数量，是你的基因组字母数量的100万倍。10与连接组相比，基因组简直就是小孩子过家家。
10这个比较是基于约1000万亿（1015）个突触，这个数是用大脑中的约1000亿个神经元，估乘以每个神经元的1万条突触而得到的。这是个很粗略的估算，所以请不要过于认真地对待这个数量。有一个相对比较可靠的突触数量，是大脑中一个叫作新皮层的结构，它有160万亿条突触。（Tang et al. 2001）
今天，我们终于具备了有力的技术和工具，能够面对这项挑战。配合最尖端的显微镜，我们的计算机能够采集并存储巨大的脑图像数据库，帮助我们处理和分析滚滚而来的数据流，从而测绘神经元之间的连接。依靠这样的机器智能，我们最终看到了为难我们多年的连接组。
我相信，在21世纪结束之前，我们有机会测出人类的整个连接组。我们会从线虫到果蝇，然后到小鼠，接着是猴子，最后会面对最终极的堡垒—人类大脑。当后代追溯我们这一系列成就时，一定会惊叹这是多么重要的科学革命。
是否必须再等几十年，连接组才能向我们透露一些关于大脑的奥秘呢？幸运的是，并非如此。现在的技术，已经足以让我们看到大脑的一个小局部的连接关系，而这样的局部的知识，也是非常有用处的。另外，老鼠和猴子也能够让我们搞清楚许多问题，因为我们在进化上有很近的亲缘关系。它们的大脑和我们的很像，而且很多运行原理是相同的，研究它们的连接组，也会给了解我们自己的大脑带来许多启发。
公元79年，维苏威火山爆发，成吨的火山灰和岩浆掩埋了罗马的庞贝城。庞贝城的时间凝固了，它从此长眠于地下，直至将近两个千年之后，才被建筑工人意外发现。18世纪的考古学家把它挖开，异常兴奋地看到了一幅栩栩如生的罗马生活图景—奢华的度假别墅，街道上的喷泉景观、公共浴室、酒吧、面包店、市场、健身馆、剧场，反映衣食住行的壁画等。11这是一座死去的城，却让我们得以观察罗马生活的细节。
11Beard 2008.
就像庞贝古城一样，如今我们也只能通过分析死去的大脑的图像来寻找连接组。这项工作本来的名称是神经解剖学，但我们可以把这项工作想象成大脑考古学：一代又一代的神经科学家，凝视着显微镜下那些冰冷的神经元的尸体，思考着它们的过去。一个死去的大脑，其中的分子被防腐药水凝住，就像一座纪念碑，纪念那些曾经由它产生的思想和感受。在过去，神经解剖学的工作十分类似于通过硬币、坟墓或陶罐之类的零散证据来重建一个古代文明，而现在，连接组就像庞贝古城一样，是大脑的一个凝固的全景。这些全景使神经解剖学家获得了革命性的能力，去研究和重构活体大脑的功能。
你也许会问，既然有很酷的技术能够直接研究活体，为什么还要研究死去的大脑？假如有时间旅行，直接穿越到当年完好的庞贝城去看看，岂不是能够了解更多？其实，未必如此。想象一下就不难发现，游览和观察一个活动的城市，存在很多限制。当你观察一个活人的行为时，你就错过了其他人同一时间的行为。或者你可以通过红外卫星图片去观察一个区域的平均活动情况，但就看不到更具体的细节了。因为这些约束，所以直接去考察一个活动的城市并不像我们想象的那么畅快。
我们用以直接研究活体大脑的技术，同样存在着这样的限制。把颅骨打开，可以观测神经元的形态和电信号，可是大脑有上千亿个神经元，我们每次只能观测极少的一部分。如果采用非侵入的成像技术，透过颅骨去观测大脑内部，就没办法观测单个的神经元，只能得到一个区域的形态和活动等粗糙的信息。或许将来有一天，会有更先进的技术使我们突破这些限制，直接观测活体大脑的每一个神经元，但就今天而言，这还只是一个幻想。研究活体大脑和死亡的大脑其实各有优缺点，在我看来，最好的方法是同时结合这两种手段。
然而，确实有一些神经科学家认为研究死亡的大脑是没有意义的，只有研究活体大脑才是神经科学的王道，他们的理由是：
你是你的所有神经元的活动。
这里的“活动”是指神经元的电信号。这些电信号能够给出大量的信息，即神经元在任意时刻的活动，这些信息编码了你在这一时刻的思考、情绪和感觉。
前面说过，你是你的连接组，现在这里又说你是你的所有神经元的活动，那么你到底是什么呢？这两种说法看起来是矛盾的，但实际上它们是兼容的，因为它们涉及对自我的不同认识。12活动论所指的自我，是动态的自我，是时时在变的，可能现在很生气，过一会又会变得兴奋，然后去思考人生的意义，做些家务活，欣赏外面的落叶，再打开电视看球赛。这个自我是与意识分不开的。因为大脑的神经元活动始终在变化，所以这种自我的本质是变化不定的。
12我要感谢肯•海沃斯为我阐明了这一点。
而连接组论所指的自我，是一种静态的自我，就像你童年的记忆会伴随你的一生。这种自我的本质—通常称为个性—是稳定的，这个事实会让我们的家人和朋友感到舒服。你的个性会表现在你的意识中，但是当你没有意识的时候，比如睡觉的时候，你的个性仍然持续地存在。这种意义上的自我，就像连接组，随着时间推移，只会有很缓慢的变化。这就是连接组论所指的自我。
在过去，意识的自我吸引人们做了大量的研究。在19世纪，美国心理学家威廉•詹姆斯（William James）提出了“意识流”，即意识就像一条河流，始终在心灵当中流淌。但是詹姆斯忘了一件事，那就是所有的河流都需要河床。如果没有地上的那些凹糟，水根本不知道该往哪里流。正是连接组提供了路径，神经活动才能够流动，从这个意义上说，应该把它称为“意识河床”。
这是一个非常好的比喻。随着时间的推移，水流也会慢慢地塑造河床，正如神经活动会塑造连接组。这两种关于自我的不同概念，一种是快速移动、时刻在变化的河水，一种是稳定、缓慢变化的河床，其实是谁也离不开谁的。你面前这本书，是关于这个像河床一样的自我、连接组中的自我，这个曾被忽视了太久的自我。
在本书的第一部分中，我将以我的视角，介绍一门全新的科学—连接组学。我主要的目标是与你们一起想象神经科学的未来，并分享已有的发现和兴奋点：如何寻找连接组，如何理解它们，以及如何开发新的技术去改造它们。但是，我们现在无法为未来指出最好的前途，因为必须先搞清楚自己的来路，所以我将首先解释过去，包括我们已经知道了什么，以及我们现在被什么难住了。
大脑含有大约1000亿个神经元13，这个数能吓倒最无畏的探险家。在本书第一部分，我将介绍一种解决方案，就是不管神经元，先把大脑分成一些区域，那么区域的数量就要少得多。神经科学家借由不同脑部损伤的症状，对这些区域的功能早已了解甚多。在这个过程中，他们受到了19世纪一种学说的启发，即颅相学。
13最新研究给出的平均值是860亿（Aze-vedo et al. 2009）。
颅相学家认为，人们的心灵和思维的差异，取决于大脑及其各区域的尺寸的差异。近代的学者们通过观察很多人的大脑图像，认为这个想法是正确的，并且用它来解释智力的差异，以及治疗精神障碍，比如孤独症或精神分裂症。他们也发现了一些与我们一致的证据，比如心智的差异取决于大脑的差异。然而不要忘记，这种证据是基于统计的，它只适用于所有人的平均情况。大脑和各脑区的尺寸，并不能用来预测个体的心智情况。
这不仅是一个技术的约束，而且是一个本质的约束。尽管颅相学家给每个脑区都标记了特定的功能，但是他们并不想解释这些脑区是怎样实现功能的。但如果不解释这个问题，就不可能正确地解释为什么有些人特别聪明而某些人却很愚蠢。我们可以，而且必须找到一个不像“尺寸”这么肤浅的答案。
在第二部分，我将介绍另外一种来自19世纪，但是与颅相学不同的思想，叫作连接主义（connectionism）。这种思想有着更为远大的志向，它试图解释大脑的各个脑区内部是如何运行的。在连接主义学者的眼中，脑区并不是一个基本单位，而是一个由大量神经元组成的复杂网络。这个网络中的众多连接，使其中的神经元产生复杂的活动模式，而我们的思想和感觉就蕴含在这些模式当中。经历可以影响这些连接的组织结构，进而催生学习和记忆。
第三部分会介绍这些连接的组织结构还受基因的影响，这样就能够解释为什么基因会对心智产生影响。这些想法听起来十分有力，但有一个问题：它从来没有得到明确的实验证实，神经科学家缺少足够的技术去测绘神经元之间的连接。因为这个原因，连接主义始终在奔走呼告，却从来没有被视为一门真正的科学。
神经科学走到这一步时，面临着一个进退两难的困境：颅相学经得起经验性的检验，但是过分简单和肤浅；连接主义远比它深入，但无法通过实验来验证。应该如何打破这个僵局？答案就是想办法找到连接组，并且利用连接组。
在第四部分中，我将带领你们探索如何做到这一点。为了找到连接组，我们已经开发了一些新的技术，我会介绍这些最顶尖的机器，它们将很快在全世界的实验室中服役。当我们找到连接组之后，会用它做些什么呢？首先，类似于颅相学所做的，我们会根据连接组，将大脑划分成不同的区域。然后，类似于植物学家对树木分类那样，我们会将海量的神经元分成不同的类型。这样一来，我们将与神经科学中的基因组方法接轨，因为基因对大脑的作用主要是通过控制不同类型的神经元之间的连接来实现的。
连接组就像一本巨大的书，这本书是用一种我们几乎看不见的文字和一种我们还无法理解的语言写成的。一旦技术能够使我们看见这些文字，那么接下来的挑战就是去理解这种语言。我们将尝试对连接组解码，去读取其中蕴含的记忆。最终，这些努力将使我们能够用明确的实验方法，去验证连接主义的理论。
然而，只找到一个连接组是不够的。需要找到很多连接组，比较它们之间的差异，以理解为什么我们的心智如此不同，以及一个人的心智如何随时间发生变化。要寻找病理连接（connectopathy），也就是那些异常的连接模式，这有可能帮助我们研究精神疾病，比如孤独症或精神分裂症的成因。我们还会研究后天学习对连接组的作用。
有了这些知识以后，我们将开发新的方法，去改造连接组。目前最有效的方法就是传统方法：训练我们的行为和思维。但是，如果能够在分子层面上干预那四个“重新”，那么学习和训练将变得更加高效。
连接组学是一门新的科学，不可能在一夜之间建成。现在我们还只能看见这条路的起点，以及路上的种种障碍。然而，在接下来的几十年里，我们的技术发展和研究工作一定会沿着这一征途前进，虽千万人吾往矣。
如果你相信你就是你的连接组，那么在第五部分中，我将把这门科学推到逻辑的极限，让你看看会发生什么。“超人类主义”运动发展出了一套详尽的方案来改善人类的命运，但是可行性有多大？低温生物学致力于将死人冻起来，以期将来把他们复活，这有可能成功吗？还有那些终极的科学幻想，比如把心灵移植到机器上，摆脱肉体的拖累，以计算机的形式快乐地生活。我将把这些幻想抽象成科学而具体的形式，然后用连接组学去检视它们。
不过，先不要沉迷于这些关于来世的激进想法，还是要从现世出发。作为旅程的起点，我们先回答之前提出的问题，那个所有人都曾经困惑过的问题：为什么每个人都是不同的？